Collaboration multi-robots : de l’intelligence d’un robot unique à l’intelligence du système

Bonjour, je suis Allen Li, fondateur de HONPINE.

Au cours des dernières années, nous avons réfléchi en profondeur à une question : qu'est-ce qui définira la prochaine étape de la robotique ? S'agira-t-il de rendre un robot unique toujours plus performant, ou de permettre à plusieurs robots de travailler ensemble en tant que système intelligent ?

Je pense que ces deux directions sont importantes. L'intelligence des robots individuels continuera de progresser, mais à mesure que les robots investissent des applications de plus en plus complexes telles que la logistique, la fabrication, la construction, l'inspection, les opérations spécialisées, la robotique humanoïde et l'automatisation intelligente, les limites de ce qu'un seul robot peut accomplir seul deviennent évidentes.

Ce qui m'intéresse encore davantage est la transition de robots travaillant de manière indépendante vers des robots devenant des nœuds de système connectés, capables de partager des informations, d'allouer des tâches, de coordonner leurs mouvements et de réagir aux changements de leur environnement.

C'est pourquoi je pense que la collaboration multi-robots deviendra l'une des orientations importantes du développement futur de la robotique.

La collaboration multi-robots ne consiste pas simplement à ajouter davantage de robots

Lorsque l'on pense pour la première fois à un système multi-robots, il est naturel de supposer que si un robot peut accomplir une tâche, dix robots devraient pouvoir accomplir dix fois plus de tâches.

En pratique, c'est bien plus compliqué.

Lorsqu'un robot unique fonctionne de manière indépendante, la question fondamentale est généralement : « Comment puis-je accomplir ma tâche ? »

Lorsque plusieurs robots opèrent dans le même environnement, la question devient beaucoup plus difficile : « Comment pouvons-nous accomplir nos tâches ensemble sans nous gêner les uns les autres ? »

Prenons l'exemple d'un entrepôt automatisé où plusieurs AGV transportent des matériaux simultanément. Si deux robots mobiles approchent en même temps d'un passage étroit, quel robot doit être prioritaire ? Si plusieurs robots sont disponibles pour la même tâche, lequel faut-il sélectionner ? Si le robot le plus proche de la tâche tombe soudainement en panne, quel robot doit prendre le relais ? Si plusieurs robots doivent entrer dans le même espace de travail, comment coordonner l'accès et les mouvements ?

Il ne s'agit plus simplement de problèmes de contrôle de mouvement pour un robot individuel. Ce sont des problèmes de coordination et d'organisation à l'échelle du système.

Un système multi-robots performant exige donc plus que des machines supplémentaires. Les robots doivent avoir une compréhension commune de leur propre état, de l'état des autres robots, des tâches en cours d'exécution et des actions susceptibles d'intervenir ensuite.

Dans une architecture multi-robots ROS2 typique, la communication distribuée, la gestion des espaces de noms, l'allocation des tâches, le contrôle de formation, la synchronisation des états et l'évitement des collisions collaborent pour constituer la base d'opérations robotiques coordonnées.

Cela m'amène à une conclusion importante : la compétitivité future de la robotique ne dépendra pas seulement des capacités d'un robot individuel, mais aussi de l'efficacité avec laquelle un système robotique entier peut travailler ensemble.

De l'intelligence du robot individuel à l'intelligence du système

Je pense que cela représente une transition importante pour l'industrie de la robotique.

Traditionnellement, lorsque nous évaluons un robot, nous nous concentrons sur des paramètres tels que la charge utile, la précision de positionnement, la vitesse, la répétabilité, le couple des articulations, la rigidité et la fiabilité. Ces spécifications resteront fondamentales.

Cependant, lorsque les robots commencent à fonctionner comme des systèmes coordonnés, nous devons poser un ensemble de questions plus large.

Un robot peut-il comprendre en permanence où se trouvent les autres robots ? Peut-il savoir quelles tâches les autres robots exécutent ? Peut-il partager son propre état de fonctionnement en temps réel ? Peut-il identifier des conditions anormales avant qu'elles ne deviennent des défaillances ? Le système peut-il redistribuer rapidement les tâches lorsque les conditions de fonctionnement changent ? Que se passe-t-il si la communication est interrompue ou si un robot devient indisponible ?

Ces questions révèlent un changement fondamental dans l'architecture des robots.

Un robot n'est plus simplement une machine qui exécute une tâche prédéfinie. Il devient un nœud intelligent connecté en réseau, conscient de son état et collaboratif.

Le développement de systèmes multi-robots implique déjà la communication distribuée, l'allocation des tâches, la synchronisation des états, le contrôle de formation et l'évitement des collisions. À mesure que ces technologies mûrissent, la frontière entre un robot individuel et le système robotique plus vaste deviendra de plus en plus interconnectée.

Cela me fait penser à une autre question particulièrement importante pour nous chez HONPINE :

Si l'intelligence des robots s'élève au niveau du système, qu'adviendra-t-il des articulations qui créent physiquement le mouvement du robot ?

Les articulations de robots devraient devenir plus que les « muscles » d'un robot

C'est l'une des questions que nous explorons chez HONPINE.

Dans la définition traditionnelle d'une articulation robotique, la responsabilité principale est simple : convertir la commande de mouvement du contrôleur en mouvement mécanique.

Un module d'articulation robotique intégré typique peut donc comprendre un réducteur de précision, un moteur, un encodeur, un frein et un système d'entraînement. Cette architecture s'est avérée très efficace pour les robots industriels conventionnels.

Mais je pense que les robots futurs nécessiteront davantage.

Si un robot doit participer à une collaboration multi-robots, ses articulations ne peuvent pas seulement savoir de combien elles ont reçu l'ordre de tourner. Elles doivent également comprendre leur propre état de fonctionnement.

Quelle est la position réelle en sortie ? Quelle est la vitesse actuelle ? Quelle charge l'articulation supporte-t-elle ? La température se situe-t-elle dans une plage sûre ? La liaison de communication fonctionne-t-elle correctement ? Le frein fonctionne-t-il normalement ? Existe-t-il un écart anormal entre la position côté moteur et la position côté sortie ? L'articulation subit-elle un couple anormal ou une surcharge ?

Lorsque ces informations peuvent être collectées en continu et transmises au système de contrôle du robot, l'articulation devient plus qu'un actionneur passif.

Elle devient une source importante d'informations sur l'état de mouvement du robot.

C'est ainsi que je comprends la prochaine génération d'articulations robotiques intelligentes.

Pourquoi les doubles encodeurs deviennent-ils de plus en plus importants ?

C'est également pourquoi HONPINE accorde une importance considérable à la technologie des doubles encodeurs.

Dans une configuration conventionnelle à encodeur unique, le système peut obtenir un retour d'information côté moteur. Cependant, le mouvement mécanique réel du robot se produit côté sortie du mécanisme de réduction.

La quantité de rotation du moteur ne représente pas nécessairement le mouvement exact qui se produit à la sortie finale.

Pour cette raison, les encodeurs côté moteur et côté sortie peuvent remplir des fonctions différentes mais complémentaires.

L'encodeur côté moteur peut fournir un retour pour la commutation du moteur, le contrôle de vitesse et la position du moteur. L'encodeur côté sortie peut mesurer directement la position réelle de l'articulation du robot après l'étage de transmission.

À mesure que les exigences des robots en matière de précision de mouvement, de réponse dynamique et de surveillance d'état augmentent, le retour côté sortie devient de plus en plus précieux.

Pour la collaboration multi-robots, cela devient encore plus important. Si chaque articulation peut déterminer avec précision son propre état de mouvement réel, le contrôleur du robot peut établir un modèle temps réel plus fiable du robot.

Dans cette perspective, les doubles encodeurs ne sont pas simplement un moyen d'améliorer la précision de positionnement des articulations. Ils fournissent un mécanisme de retour plus complet pour comprendre l'état de mouvement réel du robot.

Du retour de position à la détection du couple et de la force

Cependant, savoir où se situe une articulation ne suffit pas pour de nombreuses applications robotiques futures.

Pour les robots collaboratifs, les robots humanoïdes, les systèmes à contrôle de force et la manipulation multi-robots, une autre question devient essentielle :

Quelle force ou quel couple le robot subit-il ?

Considérons deux robots travaillant ensemble pour transporter le même objet. Si chaque robot ne connaît que sa propre position, mais ne dispose d'aucune information sur la force ou le couple appliqué à l'objet, il devient beaucoup plus difficile de maintenir un mouvement coordonné stable.

Les robots humanoïdes sont confrontés à un défi similaire lorsqu'ils interagissent physiquement avec des personnes ou leur environnement. Les informations de position seules ne peuvent pas décrire complètement l'interaction entre le robot et le monde extérieur.

C'est pourquoi je pense que le développement des modules d'articulation robotique passera progressivement du retour de position à une combinaison de position, de couple, de force et d'informations complètes sur l'état de l'articulation.

La question n'est plus simplement de savoir si une articulation peut se déplacer avec précision. Nous devons également comprendre si l'articulation peut détecter avec précision ce qui se produit pendant ce mouvement.

Pour HONPINE, cela fait des articulations robotiques intégrées avec détection de couple un domaine important de recherche et développement continus.

Les articulations de robots deviennent des nœuds de mouvement connectés

Une autre tendance importante est la connectivité croissante des articulations robotiques.

Dans les architectures robotiques traditionnelles, la relation entre le contrôleur et l'articulation peut être relativement simple : le contrôleur envoie une commande et l'articulation l'exécute.

Les systèmes robotiques futurs nécessiteront probablement une interaction bien plus riche.

Chaque articulation peut devenir un nœud du réseau de contrôle temps réel du robot. Elle peut recevoir des commandes de mouvement tout en signalant simultanément des informations telles que la position, la vitesse, le couple, la température, le courant, l'état des défauts, l'état du frein et l'état de sécurité.

Ce concept correspond naturellement au développement des systèmes multi-robots distribués, où la communication en temps réel et la synchronisation des états sont essentielles à un fonctionnement coordonné.

Du point de vue de HONPINE, cela signifie que le développement d'un module d'articulation robotique ne peut pas se concentrer uniquement sur les performances mécaniques.

Nous devons considérer l'architecture complète de la transmission mécanique, de l'intégration électrique, de la détection, de la communication et de la sécurité.

Le réducteur de précision reste fondamental, mais la valeur de l'articulation complète provient de plus en plus de l'efficacité avec laquelle ces technologies fonctionnent ensemble.

La sécurité deviendra une capacité fondamentale des articulations robotiques intelligentes

À mesure que les robots se rapprochent des humains, la sécurité deviendra de plus en plus importante.

Cela est particulièrement vrai pour les robots collaboratifs, les robots humanoïdes, les robots mobiles, les robots d'ingénierie et les autres systèmes fonctionnant dans des environnements dynamiques. Une défaillance d'une articulation peut affecter non seulement le robot lui-même, mais aussi le fonctionnement de l'ensemble du système robotique.

Les futurs modules d'articulation robotique nécessiteront donc des mécanismes de sécurité plus complets, notamment une protection contre les surintensités, une protection contre les surchauffes, la détection d'erreurs d'encodeur, la surveillance des écarts de position, la détection de couple anormal, la détection des défauts de communication et le contrôle sécurisé du couple.

Par exemple, la série HAG de HONPINE intègre STO (Safe Torque Off) dans son architecture de sécurité, en plus de la fonction de freinage.

Un frein et STO remplissent des fonctions différentes. Un frein peut aider à maintenir la position mécanique d'une articulation dans certaines conditions, tandis que STO assure une fonction de sécurité au niveau de l'entraînement qui empêche le moteur de générer du couple.

De mon point de vue, ces fonctions ne doivent pas être considérées comme des substituts l'une de l'autre. Elles peuvent former des couches complémentaires au sein d'une architecture de sécurité robotique plus complète.

Je pense que les fonctions de sécurité passeront progressivement du statut de fonctions optionnelles à celui de capacités fondamentales des articulations robotiques intelligentes.

Pourquoi HONPINE repense le module d'articulation robotique ?

Lorsque nous réunissons tous ces développements, il devient clair que l'articulation robotique du futur sera probablement bien plus qu'une combinaison d'un réducteur harmonique, d'un moteur, d'un encodeur et d'un frein.

Une articulation robotique intégrée avancée peut combiner une transmission de précision, une technologie moteur, un retour par doubles encodeurs, une détection de couple, une électronique d'entraînement intégrée, une communication temps réel, des fonctions de sécurité et une surveillance de l'état de l'articulation dans une architecture compacte.

Plus important encore, ces fonctions ne doivent pas exister comme composants isolés. Elles doivent fonctionner ensemble comme un nœud de mouvement intelligent intégré.

C'est une orientation importante pour la recherche et le développement du module d'articulation robotique de HONPINE.

Nous ne cherchons pas seulement à rendre les articulations robotiques plus petites, plus légères ou capables de fournir un couple plus élevé. Ces objectifs d'ingénierie restent importants, mais ils ne constituent pas l'ensemble du tableau.

Nous nous demandons également comment une articulation robotique peut fournir des capacités plus complètes de détection de l'état de mouvement, de communication, de sécurité et d'exécution.

C'est, selon moi, ce qui distinguera la prochaine génération d'actionneurs intelligents des actionneurs robotiques conventionnels.

L'orientation de HONPINE pour la prochaine génération de modules d'articulation robotique

Du point de vue des produits et des technologies, je pense que HONPINE devrait développer plusieurs plateformes d'articulations robotiques complémentaires pour différentes applications robotiques.

HPJM : articulations robotiques à haute fiabilité et à couple élevé

HPJM est destiné aux applications pour lesquelles un couple élevé, la rigidité, la fiabilité et la stabilité à long terme sont essentiels.

Les robots industriels, les robots d'ingénierie, les robots mobiles et les systèmes robotiques lourds nécessitent souvent plus que la précision de positionnement. Leurs modules d'articulation doivent supporter des charges exigeantes tout en maintenant des performances de mouvement fiables sur de longues périodes de fonctionnement.

Pour ces applications, les priorités de développement restent un couple élevé, une grande rigidité, une transmission de précision et une haute fiabilité.

HAG : entraînement, sécurité et communication intégrés

HAG représente une autre orientation vers une articulation robotique intelligente plus fortement intégrée.

En intégrant le réducteur de précision, le moteur, les encodeurs, l'électronique d'entraînement, les interfaces de communication et les fonctions de sécurité dans une architecture d'articulation compacte, nous pouvons réduire la complexité de l'intégration système et faciliter l'intégration de l'articulation dans des plateformes robotiques complètes.

Cette architecture est particulièrement pertinente pour les robots humanoïdes, les robots collaboratifs, les robots mobiles et d'autres applications dans lesquelles l'espace, le câblage, l'intégration système et le contrôle distribué sont des considérations importantes.

TCHL : articulations robotiques pour le contrôle de force et l'interaction dynamique

Pour les robots collaboratifs, les robots humanoïdes et les systèmes robotiques nécessitant une interaction physique contrôlée, les informations de couple deviennent de plus en plus importantes.

La détection de couple intégrée permet au robot de comprendre non seulement la position et le mouvement de ses articulations, mais aussi les forces et les couples associés à ces mouvements.

À mon avis, la question pour une articulation robotique future n'est plus simplement :

Cette articulation peut-elle se déplacer avec précision ?

Elle est aussi :

Cette articulation peut-elle comprendre avec précision ce qu'elle subit pendant son mouvement ?

C'est pourquoi les articulations robotiques avec détection de couple constitueront une partie importante de la future feuille de route technologique de HONPINE.

La véritable opportunité est l'intelligence des articulations

Si je devais résumer la compréhension de HONPINE concernant la prochaine génération de modules d'articulation robotique, je ne me concentrerais pas sur une spécification matérielle individuelle.

Le concept qui, selon moi, mérite le plus d'attention est l'intelligence des articulations.

Une articulation robotique intelligente devrait pouvoir surveiller son propre état de fonctionnement et fournir des informations utiles au contrôleur du robot.

Par exemple, elle devrait pouvoir identifier des conditions de température anormales, reconnaître des écarts inhabituels entre le retour des encodeurs côté moteur et côté sortie, détecter un couple anormal, réagir de manière appropriée aux interruptions de communication et passer à un état sûr prédéfini si nécessaire.

À mesure que les données de fonctionnement s'accumulent, l'articulation peut également prendre en charge la surveillance de l'état de santé et la détection précoce des défaillances.

En d'autres termes, l'articulation devrait évoluer d'une simple exécution des commandes vers une capacité plus complète impliquant la détection, la surveillance, le retour d'information, la protection et l'exécution du mouvement.

C'est là que, selon moi, les actionneurs intelligents créeront une valeur significative pour les futurs systèmes robotiques.

Que deviendront les modules d'articulation robotique à l'ère de la collaboration multi-robots ?

Revenons à la question par laquelle nous avons commencé.

Pourquoi la collaboration multi-robots deviendra-t-elle de plus en plus importante ?

Parce que les robots évoluent progressivement de machines indépendantes vers des systèmes connectés capables de partager des informations, d'allouer des tâches, de coordonner les mouvements et de réagir collectivement à l'évolution des conditions.

Au sein de ce système, les logiciels de niveau supérieur sont responsables de la planification des tâches, de la planification des trajectoires, de l'allocation des tâches, de la coordination des robots et de la prise de décision à l'échelle du système.

L'articulation robotique est responsable de la conversion de ces décisions en mouvement physique précis, fiable et sûr.

Cela fait du module d'articulation robotique une interface critique entre l'intelligence du robot et le mouvement du robot.

À mesure que les architectures robotiques évoluent, le système de niveau supérieur peut devenir de plus en plus intelligent, tandis que l'articulation doit fournir une détection, une communication, une sécurité et une exécution du mouvement toujours plus précises.

L'articulation devient donc une partie importante de la couche de mouvement intelligente du robot.

HONPINE ne devrait pas seulement fabriquer un meilleur réducteur

C'est l'une des questions que je considère souvent en tant que fondateur de HONPINE.

Si nous nous définissons uniquement comme un fabricant de réducteurs, notre recherche et développement se concentre naturellement sur l'efficacité de transmission, la précision, la durée de vie, la capacité de couple, la rigidité, la taille et le poids.

Ce sont des technologies fondamentales, et HONPINE continuera d'y investir.

Cependant, lorsque je considère le développement plus large de la robotique, je pense que notre ambition devrait aller plus loin.

Nous devrions continuer à passer des réducteurs de précision aux actionneurs, des actionneurs aux modules d'articulation robotique intégrés, et des modules d'articulation intégrés aux nœuds de mouvement intelligents.

Il ne s'agit pas simplement d'ajouter davantage de produits à notre portefeuille.

Cela représente un changement dans notre compréhension du rôle des composants de mouvement essentiels dans la robotique.

Un réducteur harmonique de précision fournit la base d'une transmission précise.

Un actionneur intégré combine les technologies de transmission et de moteur.

Une articulation robotique intelligente ajoute la détection, le contrôle, la communication et la sécurité.

Ensemble, ces technologies peuvent former une couche de mouvement critique entre l'intelligence du robot et son interaction physique avec le monde réel.

Le robot du futur ne sera peut-être pas un seul robot

Je pense que l'industrie de la robotique évolue vers un changement structurel important.

Par le passé, nous parlions principalement de ce qu'un robot pouvait faire.

À l'avenir, nous parlerons peut-être de plus en plus de ce qu'un système robotique peut accomplir.

Nous nous concentrions auparavant sur les capacités qu'un robot individuel pouvait acquérir.

La prochaine question est de savoir comment plusieurs robots peuvent travailler ensemble pour accomplir des tâches qui seraient difficiles ou impossibles pour une seule machine.

À mesure que la robotique passe des machines individuelles aux systèmes coordonnés, et de l'intelligence d'un robot individuel à l'intelligence du système, les modules d'articulation robotique doivent également évoluer.

Ils ne peuvent pas rester simplement les « muscles » mécaniques d'un robot.

Ils doivent devenir des composants de mouvement intelligents capables de détecter les conditions de fonctionnement, d'exécuter des mouvements précis, de communiquer avec le système de contrôle du robot et de contribuer à la sécurité et à la fiabilité globales du système.

C'est la direction dans laquelle je pense que HONPINE doit continuer à investir.

Notre objectif n'est pas simplement de fabriquer un meilleur réducteur harmonique ou une articulation robotique plus performante.

Nous voulons contribuer à construire la couche de mouvement intelligente des robots du futur.

C'est ainsi que je vois le rôle de HONPINE dans la prochaine étape de la robotique.

Alimenter l'avenir de l'automatisation intelligente.

— Allen Li

Fondateur, HONPINE